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Wasserwirtschaftund allgemeiner Wasserbau
LVA 816.110
HS EH01 Montag, 8:30 – 11:45
Bernhard PELIKAN
Department für Wasser – Atmosphäre – Umwelt; Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und konstruktiven Wasserbau – IWHW.
Universität für Bodenkultur Wien. Muthgasse 18, A-1190 Wien.Tel: ++43 – 1 – 36006 – 5513 e-mail: [email protected] Web: http://iwhw.boku.ac.at/
Bernhard PELIKAN LVA 816.110 Wasserwirtschaft und allgemeiner Wasserbau WS 2005/2006
Inhalte und Gliederung Kapitel 4Stauanlagen
4 Wehranlagen4.1 Zweck und Einteilung4.2 Feste Wehre4.2 Bewegliche Wehre4.4 Sonderformen
4.3 Talsperren4.3.1 Zweck und Einteilung4.3.2 Staumauern4.3.3 Staudämme
4.4 Hochwasserentlastungsanlagen4.4.1 an Staumauern4.4.2 an Staudämmen
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4.1 Zweck und Aufgaben (1)
Unterteilung in WehreTalsperren
Wehre bewirken eine Anhebung des Wasserspiegels und sperren nur den Flußquerschnitt ab.
Zwecke: Änderung des GefällesSchiffbarmachungWasserkraftnutzungBewässerung
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4.1 Zweck und Aufgaben (2)
Talsperren dienen vorwiegend der Speicherbildung und damit der Speicherung von Wasser. Sie sperren neben dem Flußquerschnittauch den Talquerschnitt ab.
Zwecke: HochwasserschutzNiedrigwasseranreicherungWasserkraftnutzungBereitstellung von Trink-, Brauch- und Bewässerungswasser
Es gibt keine feste Grenze zwischen Wehr und Talsperren sondern eine Vielzahl von Übergangsformen
(z.B. bei Hochwasserrückhaltebecken)
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4.1 Zweck und Aufgaben (3)
Jede Stauanlage hat folgende grundlegenden Funktionen zu erfüllen:
Stützkörper muß den maximalen Wasserdruck aufnehmen können
Wasserdicht, um ein Aussickern zu verhindern oder auf ein unschädliches Maß reduzieren
Bemessungsabfluß muß zerstörungs- bzw. beschädigungsfrei abgeführt werden können
Aufnahme der erforderlichen Betriebseinrichtungen zur geregelten und gesicherten Wasserentnahme
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4.1 Zweck und Aufgaben (4)
Vorarbeiten
Hydrologische Untersuchungen (Einzugsgebiet, Niederschlag, extreme Abflüsse, Abfluß- und Feststoffregime)
Geologische Untersuchungen (Sperrenstelle, Staubecken)
Umwelteinflüsse (flußauf und flußab)
Auswirkungen auf bestehende Anlagen (Umsiedlungen, Verkehrswege, Versorgungsleitungen)
Verfügbarkeit von Baumaterialien
Rechtsfragen (z.B. bestehende Wasserrechte)
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4.2 Wehre (1)
ZweckWehranlagen dienen dem Aufstau des Wassers = Anhebung des Wasserspiegels (nicht der Speicherung)
BemessungBelastungsgröße ist die Differenzhöhe zwischen OW-Sp. und UW-Sp.Entwurfsgröße ist der maximal abzuführende Abfluß
Unterteilung in feste Wehre und bewegliche Wehre
Feste Wehre ermöglichen keine Regulierung des OW-Sp., Baumaterial: Stein, Beton, Holz sowie Kombination
Bewegliche Wehre ermöglichen Regulierung des OW-Sp.Baumaterial: Stahl, Kunststoff, teilweise Holz
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4.2.2 Feste Wehre (1)
Zufolge mangelnder Technologie früher dominantHäufige Bauformen: Steinwehre und HolzkastenwehreKrone: gerade, geknickt, schräg, gekrümmtVorteile: preiswert, wartungsarm, keine beweglichen TeileNachteile: große Schwankungen des OWSp.Schema:
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4.2.2 Feste Wehre (2)
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4.2.2 Feste Wehre (3)
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4.2.2 Feste Wehre (4)
SonderformenStreichwehr: Krone verläuft etwa strömungsparallelEinsatz als Entlastungsbauwerk (Begrenzung des Durchflusses)
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4.2.2 Feste Wehre (5)
SonderformenStreichwehr
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4.2 Feste Wehre (6)
SonderformenTirolerwehr: Wasserentnahme in stark geschiebeführendenGewässern
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4.2.2 Feste Wehre (7)
SonderformenTirolerwehr:
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4.2.2 Feste Wehre (8)
SonderformenTirolerwehr:
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4.2.2 Feste Wehre (9)
SonderformenHeberwehr: Häufig Entlastungsanlagen zufolge hoher hydraulischer Leistungsfähigkeit bei geringen baulichen Abmessungen
Vorteile:Automatische FunktionKeine beweglichen TeileHohe Abflußleistung
Nachteile:Stoßbelastung im UnterwasserKeine Abfuhr von Eis, TreibgutKomplizierter teuerer Bau
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4.2.3 Bewegliche Wehre (1)Heute sehr häufig anzutreffen.
Bewegliche Wehre werden grundsätzlich quer zur Fließrichtung(zumeist normal) eingebaut.
Sie bestehen aus einer festen Wehrschwelle (dem Fundament) und einem beweglichen Verschluß.
Die Verschlussorgane sind vielfältig, haben unterschiedliche Anwendungsbereiche. (Verhältnis Breite zu Höhe)
Sie sind aus hydraulischer Sicht entweder überströmbar oder unterströmbar .
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4.2.3 Bewegliche Wehre (2)
Übersicht über bewegliche Wehre
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4.2.3 Bewegliche Wehre (3)SchützenwehreUnterscheidung in Gleitschützen und Rollschützen. Schützen sind vertikal verschiebbare, plattenförmige Bauteile.Gleitschütze gleiten in Führungsprofilen (billiger, für geringere Dimensionen und kleinere Wasserdrücke )Rollenschütze rollen in Führungsprofilen. (teuerer, leichtgängig, für größere Belastungen)Schützen sind entweder unterströmbar (bei Anhebung) oder überströmbar (bei Absenkung).Es gibt einfache Schützen (eine Tafel) und Doppelschützen (zwei knapp nebeneinander angeordnete Tafeln) Anwendungsbereich: Öffnungen bei Höhe: Breite > 0,5
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4.2.3 Bewegliche Wehre (4)Der Antrieb erfolgt: mechanisch, motorisch oder hydraulisch;
mittig oder beidseitig (je nach Breite)Material: häufig Holz (Lärche), Stahl
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4.2.3 Bewegliche Wehre (5)SegmentwehreSegmentverschlüsse werden über zwei feste Drehlager in den Pfeilerwänden abgestützt. Je nach Positionierung zur Fließrichtung des Wassers spricht man von Drucksegmentenoder Zugsegmenten
Für größere Verschlussflächen. Der Antrieb erfolgt zumeist beidseitig hydraulisch.Segmente sind überströmbar (z.B. bei HQ) oder unterströmbar(im normalen Betrieb bei Anhebung)
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4.2.3 Bewegliche Wehre (6)
Segmentwehre
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4.2.3 Bewegliche Wehre (7)KlappenwehreKlappen drehen um eine auf der festen Wehrschwelle liegenden horizontalen Achse. Einfache Ableitung der Kräfte ins Wehrfundament.Klappen eignen sich für geringe Stauhöhen (max.5m) und große Wehrbreiten.Klappen müssen torsionssteif ausgeführt werden und sind zumeist Stahlkonstruktionen.Antrieb: hydraulisch, elektromotorisch oder Gegengewicht, 1-od.2 seitigDie hydraulisch günstigste Form ist die Fischbauchklappe. Anordnung von Strahlaufreißern an der überströmten Kante der Klappe um die Belüftung des Raumes zwischen der Luftseite der Klappe und dem Überfallstrahl (Wasservorhang) zu ermöglichen.
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4.2.3 Bewegliche Wehre (8)
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4.2.3 Bewegliche Wehre (9)
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4.2.3 Bewegliche Wehre (10)
Schlauchwehre und DachwehreStauschläuche sind als neuere Entwicklung im Wasserbau zu bezeichnen. Sie werden rund seit 1980 hergestellt.
Hinsichtlich des Anwendungsbereiches sind sie den Klappengleichzustellen.
Schlauchwehre sind die technischen Nachfolger der früheren Dachwehre
Auch Dachwehre wurden mit Wasser gefüllt und der Innendruck stützte die Bauteile gegen den Wasserdruck des Oberwassers.
Das Schlauchwehr perfektioniert die Idee und verwendet gewebeverstärkte Gummibahnen.
Medium ist überwiegend Wasser aber auch Luft
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4.2.3 Bewegliche Wehre (11)
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4.2.3 Bewegliche Wehre (12)
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4.2.3 Bewegliche Wehre (13)
KombinationsformenUm eine möglichst optimale Betriebsweise in mehrfacher Hinsicht zu gewährleisten, werden Verschlußtypen miteinander kombiniert. Durch folgende Anordnungen kann sowohl Unterströmung als auch Überströmung fein reguliert werden
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4.2.3 Bewegliche Wehre (14)
TosbeckenZu jeder Wehranlage muß ein Tosbecken zur Energieumwandlung errichtet werden. Tosbecken dienen dem Schutz des Wehres (Unterspülung etc.)
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4.3 Talsperren (1)
Zweck und EinteilungDie Errichtung von Talsperren dient vorwiegend der Wasserspeicherung. Es wird der gesamte Talquerschnitt abgesperrt. Die Höhe der Talsperre wird von der gewünschten Größe des Speicherraumes bestimmt.Enge Sperrenstellen sind ideal.Geologischer Aufbau des Untergrundes enorm wichtig.
Einteilung in Staumauern (Konstruktion aus Beton oder Mauerwerk)Staudämme (Konstruktion aus Erd- oder Felsmaterial)
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4.3 Talsperren (2)
Auswahlkriterien für den TalsperrentypGröße des Bauwerkes
Geländeverhältnisse
Untergrundverhältnisse
Zur Verfügung stehende Baumaterialien
Wirtschaftliche Gegebenheiten
Einpassung in die Landschaft
Aufnahme von Verkehrswegen
Größe des abzuführenden Hochwassers
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4.3.2 Staumauern (1)
Staumauernwerden in drei große Gruppen eingeteilt:
Gewichtsstaumauern, die dem Wasserdruck durch ihre Eigenlast widerstehen
Bogenstaumauern, die die Wasserdruckkräfte überwiegend zufolge der Gewölbewirkung in die Flanken und den Untergrund übertragen
Aufgelöste Staumauern, die ohne Abstützung in die Flanken durch besondere konstruktive Gestaltung der Stauwand den Wasserdruck in den Untergrund übertragen
Es gibt Übergangsformen wie z.B. Bogengewichtsmauern, Bogenmauer mit aufgesetzter Gewichtsmauer
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4.3.2 Staumauern (2)
GewichtsmauernHaben zumeist einen Dreiecksquerschnitt mit senkrechter wasserseitiger und geneigter (1:0,65 – 1:0,8) luftseitiger Begrenzung
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4.3.2 Staumauern (3)
Gewichtsmauern - Schnitte
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4.3.2 Staumauern (4)
Beispiele: Grande Dixence (Schweiz)
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4.3.2 Staumauern (5)Beispiele: Grande Dixence (Schweiz)
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4.3.2 Staumauern (6)
Beispiele: Hoover Dam (USA)
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4.3.2 Staumauern (7)
Bogenmauern (Gewölbemauern)Erfordern den geringsten Aufwand an BetonEher schmale Täler und sehr gute UntergrundverhältnisseVerhältnis Talweite w zu Stauhöhe h < 10
Gleichradienstaumauern (hier ist der Radius konstant und der Öffnungswinkel ist variabel)Kuppelstaumauern (die heute übliche moderne Form: hier sind Radius und Öffnungswinkel variabel)Gleichwinkelstaumauern (hier ist der Öffnungswinkel konstant und der Radius ist variabel)Zylinderstaumauern (hier sind der Radius und der Öffnungswinkel konstant)
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4.3.2 Staumauern (8)
Bogenmauern (Gewölbemauern)
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4.3.2 Staumauern (9)
Bogenmauern (Gewölbemauern)
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4.3.2 Staumauern (10)
Bogenmauern (Gewölbemauern)
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4.3.2 Staumauern (11)
Bogenmauern (Gewölbemauern)
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4.3.2 Staumauern (12)
Aufgelöste Mauern (Pfeilerkopfmauer)Die Abstützung erfolgt durch eine Reihe von Pfeilern, die durch Platten, gewölbe oder Kuppeln mit einander verbunden sind.Vorteil: Massenersparnis
geringe Einwirkung desSohlwasserdruckesleichte ZugänglichkeitBeobachtbarkeit
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4.3.2 Staumauern (13)
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4.3.3 Staudämme (1)
GrundsätzlichesStaudämme stellen wesentliche geringere Anforderungen an den Untergrund.
Der Anschluß an einen wasserdichten Untergrund ist nicht zwingend notwendig.
Ein Damm ist in Grenzen beweglich entsprechend den Setzungen.
Dämme haben in der Regel einen Aufbau in mehrere Zonen:
Stützkörper
Dichtkörper
Filter
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4.3.3 Staudämme (2)
Unterscheidungsmöglichkeiten
Erddämme nutzen örtlich anstehende Lockergesteine
Felsschüttdämme nutzen Steinbruchmaterial
Dämme mit natürlicher (z.B. Lehm oder Ton) oder künstlicher(z.B. Asphalt, Stahlbeton, Folien) Dichtung
Dämme mit außenliegender oder innenliegender Dichtung
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4.3.3 Staudämme (3)
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4.3.3 Staudämme (4)
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4.3.3 Staudämme (5)
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4.3.3 Staudämme (6)
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4.4 Hochwasserentlastungsanlagen (1)
Hochwasserentlastungsanlagen an Sperrenbauwerken dienen dem Schutz des Bauwerkes.
Es muß ein sorgfältig gewähltes Bemessungshochwasser schadlos abgeführt werden können.
Das Bemessungshochwasser ist bei Dämmen größer als bei Mauern, da die gefährdung eines Dammes wesentlich höher ist.
Hochwasserentlastungsanlagen können als feste oder beweglicheWehre ausgebildet sein.
Die einwandfreie hydraulische Gestaltung ist notwendig, um Unterdrücke und Schwingungen auszuschließen.
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4.4 Hochwasserentlastungsanlagen (2)
An StaumauernIn der Regel Teil desStaubauwerkes
Rücken des Staubau-werkes als Schußrinne
Sprungschanze
Freier Überfall
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4.4 Hochwasserentlastungsanlagen (3)
Beispiele
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4.4 Hochwasserentlastungsanlagen (4)